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1、河南科技大学 硕士学位论文 螺旋伞齿轮精锻工艺及数值模拟研究 姓名：皇涛 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：陈拂晓 20100101 摘要 I 论文题目：螺旋伞齿轮精锻工艺及数值模拟研究 论文题目：螺旋伞齿轮精锻工艺及数值模拟研究 专 业：材料加工工程 专 业：材料加工工程 研 究 生：皇涛 研 究 生：皇涛 指导教师：陈拂晓 教授 指导教师：陈拂晓 教授 摘 要 摘 要 螺旋伞齿轮的承载能力和传动平稳性能大大优于直齿伞齿轮，能很好地满足 高速重载传动要求，其显著的性能也促使研究人员对其设计与加工技术进行深入 研究。随着直齿伞齿轮的精锻技术的成熟及推广应用，螺旋伞齿轮的精密成形
2、加 工日益受到人们的重视。传统的齿轮加工方式，既破坏了金属纤维流线组织，降 低了齿轮的齿根弯曲疲劳强度、齿面耐磨性等，同时生产效率低，材料利用率 低，生产成本高。以精密锻造取代现行的铣削加工是实现螺旋伞齿轮近净成形的 重要方法之一。 本文研究了从动螺旋伞齿轮的精锻工艺并对其精锻过程进行了数值模拟分 析。首先对齿轮钢 20CrMnTi 进行等温压缩试验，分析了该钢的热压缩变形规 律，探讨了变形速率、变形温度对其压缩流变应力及组织的影响，建立了该钢的 变形抗力模型。其次利用 UG 三维软件对从动螺旋伞齿轮模具结构和坯料进行建 模，借助 DEFORM 模拟软件对精锻成形工艺过程进行了三维刚塑性有限元
3、模 拟，分析了其成形过程和齿形变形规律、应力分布、应变分布及力能参数等。从 不同摩擦系数、不同成形温度、不同坯料尺寸等影响因素分析齿形充填情况。同 时对从动螺旋伞齿轮精锻成形进行了物理模拟试验，分析了齿形充填金属流动规 律，并验证了从动螺旋伞齿轮精锻成形的可行性和数值模拟的正确性。最后根据 数值模拟和物理试验结果对从动螺旋伞齿轮精锻成形参数进行了优化，并在工程 实际中进行生产试验，检验了优化结果的正确性。 关 键 词：关 键 词：螺旋伞齿轮，精锻成形，数值模拟，齿轮钢 论文类型： 论文类型：应用基础研究 Abstract II Subject: Research Status and Nume
4、rical Simulation of Precision Forging Process for Spiral Bevel Gear Specialty: Materials Processing Engineering Name: Huang Tao Supervisor: Chen Fu-xiao Professor ABSTRACT The load-carrying capacity and smooth transmission performance of spiral bevel gear are much better than that of straight bevel
5、gear, it can meet the requirements of high-speed heavy transmission very well. Its significant performance also prompts researchers to study its design and processing technology in depth. With the maturity of precision forging technology for straight-tooth bevel gear and its wide promotion and appli
6、cation in the world, people pay more and more attention to the precision molding of spiral bevel gear. The traditional gear processing method damages the metal fiber flow line organization, reduces the bending and fatigue strength of the root of gear tooth, and tooth surface abrasion etc. It also re
7、sults in low productivity, low material utilization, and high production costs as well. Therefore, precision forging replacing the existing milling process is one of the most important means to achieve precision shaping of spiral bevel gear. This paper studies the forging process of driven spiral be
8、vel gear, and makes numerical simulation analysis of its precision forging process. Firstly, an isothermal compression test for gear steel 20CrMnTi is taken, the thermal compression deformation law is analyzed, the impact of deformation rate, deformation temperature on its compression flow stress an
9、d organization is discussed and the deformation resistance model is established. Then, the modeling of die structure and forging of driven spiral bevel gear is taken place by the use of three-dimensional software UG, three-dimensional rigid-plastic finite element simulation of precision forging proc
10、ess is carried out by the use of simulation software DEFORM, and the forming process of driven spiral bevel gear, the law of tooth deformation, stress distribution, strain distribution, the force and energy parameters are analyzed. At the same time, the situation of tooth filling is analyzed on the
11、condition of influencing factors such as different friction coefficient, different forming temperatures, different forging sizes Abstract III and so on. This paper also carries out physical simulation experiments for driven precision forging of spiral bevel gear, analyzes the law of tooth filling me
12、tal flow and verifies the feasibility of the precision forging of spiral bevel driven gear and the correctness of numerical simulation. Finally, according to the results of numerical simulation and physical experiments the precision forging parameters of driven spiral bevel gear are optimized and pu
13、t into practice, the correctness of the optimization results is also tested. KEY WORDS: Spiral bevel gear, precision forging, numerical simulation，pinion steel Dissertation Type: Application basic research 第 1 章 绪论 1 第第1章章 绪论 绪论 1.1 引言 引言 齿轮作为机械装置中调节速度与传递功率的主要零件，广泛应用于航空航 天，机械电子，船舶汽车等机械领域，齿轮生产在现代化机械行
14、业一直以来都占 据着十分重要的地位，随着我国经济的快速发展，齿轮的使用量也在迅速的增 长。 齿轮的加工有很多种方式，传统的加工方式主要采用切削加工，例如汽车驱 动桥的主动和从动螺旋伞齿轮，都是采用由锻坯经过格林森切齿机切削加工齿形 生产的。经过长期的应用发展，这种加工方式工艺逐渐趋于成熟，生产稳定，但 也存在一定的缺点和不足，比如材料利用率低、生产效率低，同时，坯料经过切 削加工后，破坏了金属内部纤维流线组织，降低了齿轮的齿根抗弯曲疲劳强度、 齿面耐磨性和接触疲劳强度等，齿轮的使用寿命较低。随着市场对齿轮产品性能 以及成本要求的不断提高，切削加工的方法已经很难适应当前企业生产要求和社 会的需求
15、，这就要求人们不断探索、开发齿轮加工的新工艺、新技术1-5。 1.2 螺旋伞齿轮概述螺旋伞齿轮概述 直齿伞齿轮易于加工，并且传动中不产生轴向力，因此广泛应用在相交轴线 齿轮的传动中。但是在高速传动过程中，每对齿都是同时进行迅速的啮合，易产 生冲击，造成传动不平稳，承载能力差，噪音高等缺点。而螺旋伞齿轮由于是从 轮齿的一端向另一端连续平稳的啮合，就避免了上述问题的产生，可以很好的弥 补直齿伞齿轮的缺陷。 与直齿伞齿轮相比，螺旋伞齿轮的齿面节线是弯曲的，可以近似看作是将直 齿伞齿轮切成无数个薄片后扭转得到与母线倾斜而形成的。螺旋伞齿轮齿轮副在 传动过程中的轮齿是从一端向另一端逐渐接触的，在传动中至少有两个或两个以 上的齿同时进行啮合，啮合的齿数比直齿伞齿轮多，增大了接触比，也即增大了 重迭系数，因此具有受冲击小，传动平稳，噪音小，承载能力强等特点。被广泛 应用于航空航天，汽车和各种精密机床等行业中。因此，螺旋伞齿轮的设计和制 造在机械行业中已占据很重要的地位。 由于螺旋角的存在，重迭系数增大，负荷比压降低，磨损比较均匀，同时也 增大了齿轮的负载能力，也即延长了齿轮使用寿命。能够实现大的传动比，小轮 河南科技大学硕士学位论文 2 齿数可以减少至五个齿。能够调整刀盘半径，利用齿线曲率修正接触区。可以进 行齿面研磨，来降低噪音、改善接触区并提高齿面光洁度6。 旋向： 螺旋伞齿轮按旋向分，有
